СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА MXENE И НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ПОТЕНЦИАЛ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В современную эпоху стремительного развития науки и технологий вопросы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов приобретают особую актуальность. В этом контексте возрастает интерес к экологически чистым, возобновляемым и высокоэффективным материалам. MXene и наноцеллюлоза - два перспективных наноматериала, вызвавших большой научный интерес за последнее десятилетие. Их структурные особенности, химико-физические свойства и многофункциональность открывают широкие возможности применения в различных отраслях.
MXene – двумерный материал, получаемый путём селективного травления MAX-фаз. Благодаря высокой проводимости, гидрофильности, термической и химической стабильности, а также способности к модификации, он активно исследуется в таких областях, как очистка воды, хранение энергии, электроника, сенсоры и биомедицина. Наноцеллюлоза – экологически чистый и биоразлагаемый материал растительного происхождения. Её высокая механическая прочность, большая удельная поверхность и химическая устойчивость делают её востребованной в медицине, пищевой промышленности, упаковке и производстве нанокомпозитов.
В статье подробно рассматриваются методы получения этих материалов (например, травление HF или LiF/HCl для синтеза MXene и кислотный гидролиз, механическая и ферментативная обработка для наноцеллюлозы), а также их морфологические и структурные характеристики. Особое внимание уделяется перспективам их совместного применения в виде нанокомпозитов и мембранных структур. Результаты анализа показывают, что благодаря высокой совместимости и функциональности, данные материалы имеют потенциал стать ключевыми компонентами зелёных технологий, направленных на решение экологических и техногенных проблем будущего.

1. Akhter R. MXenes: A comprehensive review of synthesis, properties, and progress in supercapacitor applications / R. Akhter, S.S. Maktedar // Journal of Materiomics. – 2023. – vol. 9, № 6. – Р. 1196-1241. https://doi.org/10.1016/J.JMAT.2023.08.011.

2. Facile Fabrication of Densely Packed Ti3C2MXene/Nanocellulose Composite Films for Enhancing Electromagnetic Interference Shielding and Electro-/Photothermal Performance / Z. Zhou et al // ACS Nano. – 2021. – vol. 15, № 7. – Р. 12405-12417. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04526.

3. Gogotsi Y. MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices / Y. Gogotsi, Q. Huang // ACS Nano. – 2021. – vol. 15, № 4. – Р. 5775-5780. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c03161.

4. Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers / C. Rong et al. // Nat Commun. – 2024. – vol. 15, № 1. – Р. 1566. https://doi.org/10.1038/s41467-024-45657-6.

5. High electrical conductivity and breakdown current density of individual monolayer Ti3C2T MXene flakes / A. Lipatov et al. // Matter. – 2021. – vol. 4, № 4. – Р. 1413-1427. https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.01.021.

6. Transforming Ti3C2Tx MXene’s intrinsic hydrophilicity into superhydrophobicity for efficient photothermal membrane desalination / B. Zhang et al. // Nat Commun. – 2022. – vol. 13, № 1. – Р. 3315. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31028-6.

7. Role of Surface Terminations for Charge Storage of Ti 3 C 2 T x MXene Electrodes in Aqueous Acidic Electrolyte / L. Liu et al // Angewandte Chemie International Edition. – 2024. – vol. 63, № 14. https://doi.org/10.1002/anie.202319238.

8. Understanding the Chemical Degradation of Ti 3 C 2 T x MXene Dispersions: A Chronological Analysis / K.P. Marquez et al. // Small Science. – 2024. https://doi.org/10.1002/smsc.202400150.

9. Harja M. Recent advances in removal of Congo Red dye by adsorption using an industrial waste / M. Harja, G. Buema, D. Bucur // Sci Rep. – vol. 12, № 1. – Р. 1-18. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10093-3.

10. In Situ Synthesis of MXene with Tunable Morphology by Electrochemical Etching of MAX Phase Prepared in Molten Salt / L. Liu et al // Adv Energy Mater. – 2023. – vol. 13, № 7. https://doi.org/10.1002/aenm.202203805.

11. Advancements in MXenes and mechanochemistry: exploring new horizons and future applications / S. Iravani et al // Mater Adv. – 2024. – vol. 5, № 21. – Р. 8404-8418. https://doi.org/10.1039/D4MA00775A.

12. Direct synthesis and chemical vapor deposition of 2D carbide and nitride Mxenes / D. Wang et al. // Science. – 2023. – vol. 379, № 6638. – Р. 1242-1247. https://doi.org/10.1126/science.add9204.

13. Huang L. MXene‐Based Membranes for Separation Applications / L. Huang, L. Ding, H. Wang // Small Science. – 2021. – vol. 1, № 7. https://doi.org/10.1002/smsc.202100013.

14. Cellulose nanofibrils manufactured by various methods with application as paper strength additives / J. Zeng et al // Sci Rep. – 2021. – vol. 11, № 1. – Р. 1-16. https://doi.org/10.1038/s41598-021-91420-y.

15. A review of nanocellulose as a new material towards environmental sustainability / K. Dhali et al // Science of The Total Environment. – 2021. – vol. 775. – Р. 145871. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2021.145871.

16. Emerging developments regarding nanocellulose-based membrane filtration material against microbes / M.N.F. Norrrahim et al // Polymers (Basel). – 2021. – vol. 13, № 19. https://doi.org/10.3390/polym13193249.

17. Barja F. Bacterial nanocellulose production and biomedical applications / F. Barja // J Biomed Res. – 2021. – vol. 35, № 4. – Р. 310-317. https://doi.org/10.7555/JBR.35.20210036.

18. Production of nanocellulose from lignocellulosic biomass and its potential applications: A review / M. N. Khan et al // Global Nest Journal. – 2024. – vol. 26, № 4. https://doi.org/10.30955/gnj.005604.

19. Production of nanocellulose from lignocellulosic biomass and its potential applications: A review / M.N. Khan et al // Global Nest Journal. – 2024. – vol. 26, № 4. https://doi.org/10.30955/gnj.005604.

20. A comprehensive review of cellulose nanomaterials for adsorption of wastewater pollutants: focus on dye and heavy metal Cr adsorption and oil/water separation / Y. Yang et al // Collagen and Leather. – 2024. – vol. 6, № 1. – Р. 1-25. https://doi.org/10.1186/s42825-024-00179-1.

21. Recycling of TEMPO-mediated oxidation medium and its effect on nanocellulose properties / H. Xu et al // Carbohydr Polym. – 2023. – vol. 319. – Р. 121168. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2023.121168.

22. Preparation and characterization of nanocellulose obtained by TEMPO-mediated oxidation of organosolv pulp from reed stalks / V.A. Barbash et al // Appl Nanosci. – 2022. – vol. 12, № 4. – Р. 835-848. https://doi.org/10.1007/s13204-021-01749-z.

23. Nanocrystalline cellulose isolation via acid hydrolysis from non-woody biomass: Importance of hydrolysis parameters / A.Q. Almashhadani et al // Carbohydr Polym. – 2022. – vol. 286. – Р. 119285. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2022.119285.

24. Entangled cellulose nanofibers produced from sugarcane bagasse via alkaline treatment, mild acid hydrolysis assisted with ultrasonication / M. Asem et al // Journal of King Saud University – Engineering Sciences. – 2023. – vol. 35, № 1. – Р. 24-31. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2021.03.003.

25. Cellulose nanofibrils (CNFs) produced by different mechanical methods to improve mechanical properties of recycled paper / F. Hu et al // Carbohydr Polym. – 2021. – vol. 254. – Р. 117474. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2020.117474.

26. Preparation of cellulose nanofibers from potato residues by ultrasonication combined with highpressure homogenization / X. Liu et al // Food Chem. – 2023. – vol. 413. – Р. 135675. https://doi.org/10.1016/J.FOODCHEM.2023.135675.

27. Samsalee N. Rice husk nanocellulose: Extraction by high-pressure homogenization, chemical treatments and characterization / N. Samsalee, J. Meerasri, R. Sothornvit // Carbohydrate Polymer Technologies and Applications. – 2023. – vol. 6. – Р. 100353. https://doi.org/10.1016/J.CARPTA.2023.100353.

28. Ultrasonic cavitation: An effective cleaner and greener intensification technology in the extraction and surface modification of nanocellulose / D.Y. Hoo et al // Ultrason Sonochem. – 2022. – vol. 90. – Р. 106176. https://doi.org/10.1016/J.ULTSONCH.2022.106176.

29. Preparation and characterization of nanocellulose fiber (CNF) by biological enzymatic method,” / J. Wang et al // Journal of Thermoplastic Composite Materials. – 2024. – vol. 37, № 3. – Р. 1223-1241. https://doi.org/10.1177/08927057231180479.

30. Pradhan D. Emerging technologies for the production of nanocellulose from lignocellulosic biomass / D. Pradhan, A.K. Jaiswal, S. Jaiswal // Carbohydr Polym. – 2022. – vol. 285. – Р. 119258. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2022.119258.

31. Cellulose nanostructures obtained using enzymatic cocktails with different compositions / T.J. Bondancia et al // Int J Biol Macromol. – 2022. – vol. 207. – Р. 299-307. https://doi.org/10.1016/J.IJBIOMAC.2022.03.007.

32. Exploration of a novel and efficient source for production of bacterial nanocellulose, bioprocess optimization and characterization / N.E.-A. El-Naggar et al // Sci Rep. – 2022. – vol. 12, № 1. – Р. 18533. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22240-x.

33. Bacterial nanocellulose: Optimized synthesis and biomedical applications / Y. Zhou et al // Ind Crops Prod. – vol. 205. – Р. 117589. https://doi.org/10.1016/J.INDCROP.2023.117589.

34. Synthesis of Nanocellulose as a Sustainable Construction Material from Waste Paper Using the Alkaline Method at Low Temperature / P. Suanto et al // Civil Engineering and Architecture. – 2025. – vol. 13, № 1. – Р. 175-192. https://doi.org/10.13189/cea.2025.130110.

35. Bacha E.G. Extraction and Characterization of Nanocellulose from Eragrostis Teff Straw / E.G. Bacha, H.D. Demsash // Journal of cellulose. – 2021.

36. Nanocellulose from oil palm biomass to enhance microbial fermentation of butanol for bioenergy applications / N. Hastuti et al // Bioresources. – 2019. – vol. 14, № 3. – Р. 6936-6957. https://doi.org/10.15376/biores.14.3.6936-6957.

37. S. Głowniak and B. Szcz Recent Developments in Sonochemical Synthesis of Nanoporous Materials. – 2023.

38. Cellulose nanofibrils (CNFs) produced by different mechanical methods to improve mechanical properties of recycled paper / F. Hu et al // Carbohydr Polym. – 2021. – vol. 254. – Р. 117474. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2020.117474.

39. A comprehensive review of cellulose nanomaterials for adsorption of wastewater pollutants: focus on dye and heavy metal Cr adsorption and oil/water separation / Y. Yang et al // Collagen and Leather. – 2024. – vol. 6, № 1. – Р. 1-25. https://doi.org/10.1186/s42825-024-00179-1.